Посмотрим, как ведет себя в этом отношении природный уран. Блуждающие (свободные) нейтроны, необходимые для начала ядерной реакции, всегда найдутся, если только взять кусок урана достаточно больших размеров. Нейтроны возникают главным образом за счет самопроизвольного деления ядер урана. Например, в куске урана массой 1 кг в каждую секунду происходит около 6–7 делений, в результате чего ежесекундно возникает 15–18 быстрых свободных нейтронов. Кроме того, небольшое число таких нейтронов может возникать под действием космического излучения. Энергия быстрых нейтронов (2 Мэв) вполне достаточна для деления ядер как урана 235, так и урана 238, входящих в состав природного урана.
Однако, несмотря на эти, казалось бы, благоприятные условия, цепная реакция в куске природного урана сколь угодно большой величины не «зажигается», если не принять некоторых дополнительных мер. Дело в том, что быстрые нейтроны уже после нескольких столкновений с ядрами теряют скорость и перестают делить ядра урана 238. Поэтому цепная реакция в уране может идти только за счет ядер урана 235, которые делятся как быстрыми, так и медленными (тепловыми) нейтронами. Но урана 235 содержится в природном уране всего только 0,7%. Поэтому нейтроны сталкиваются чаще с ядрами урана 238 и в большинстве своем поглощаются ими без последующего деления.
Нельзя ли все же сделать так, чтобы цепная реакция в природном уране стала возможной? Оказывается, можно и притом двумя способами.
Первый способ связан с использованием замедленных нейтронов. Физические основы его следующие. Ядра урана 235 делятся любыми нейтронами, причем медленными даже лучше, чем быстрыми. Медленные же нейтроны не захватываются ураном 238 и не вызывают деления его ядер. Поэтому, если нейтроны, возникающие при делении, замедлять раньше, чем они будут сталкиваться с ядрами урана 238, то цепная реакция станет возможной.
Для этого необходимо блоки урана в виде кирпичиков или стержней расположить вперемежку со слоями какого-либо легкого вещества, при столкновении с ядрами которого нейтроны замедляются (но не поглощаются). Медленные нейтроны в большинстве своем будут двигаться в природном уране до тех пор, пока не столкнутся с ядром урана 235 и не произведут его деление. При этих условиях медленные нейтроны обеспечат развитие цепной реакции деления урана 235, несмотря на то, что этого изотопа в уране содержится почти в 140 раз меньше, чем основного изотопа 238. Те же нейтроны, которые все же будут поглощены ураном 238, вызовут превращение его в плутоний 239. Схема цепной реакции с замедлителем в природном уране приведена на рис. 40.
